DE102018004891A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Spannungsausgleich im Bordnetz (10) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung (B1, B2), ein elektrischer Verbraucher (3-6), sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2), umfassend das Erfassen einer Spannung der ersten und zweiten Batterieeinrichtung (U1, U2) und Bilden einer Spannungsdifferenz aus den erfassten Spannungen, wobei beide Batterieeinrichtungen (B1, B2) von dem Bordnetz (10) elektrisch getrennt sind, das Festlegen eines Zielspannungsbereichs in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz, das Zuschalten entweder derjenigen Batterieeinrichtung (B1, B2) zum Bordnetz (10), deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, sowie Zuschalten des elektrischen Verbrauchers (3-6), oder das Zuschalten der elektrischen Verbrauchereinrichtung (1, 2) zu derjenigen Batterieeinrichtung (B1, B2), deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, und dadurch Entladen derjenigen Batterieeinrichtung über den elektrischen Verbraucher (3-6) oder die elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2) solange, bis die Spannung (U1, U2) in dem Zielspannungsbereich liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich zumindest folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung, ein elektrischer Verbraucher, sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung.
  • In Fahrzeugen mit elektrischen Traktionsantrieben kann es zur Erhöhung der Reichweite sinnvoll sein, mehrere Batterien, beziehungsweise Batterieeinrichtungen des gleichen Typs parallel zu verschalten. Aus dem internen, nicht druckschriftlich belegten Stand der Technik ist bekannt, dass die parallel geschalteten Batterieeinrichtungen elektrisch voneinander und dem Bordnetz getrennt werden, wenn sich das Fahrzeug im Ruhezustand befindet. Zur Zuschaltung der beiden Batterieeinrichtungen, zum Beispiel während des Fahrbetriebs, ist es dringend notwendig, dass sich die Spannungen der beiden Batterien nicht unterscheiden, da aufgrund der niederohmigen Anbindung der parallel geschalteten Batterien ansonsten ein erhöhter Ausgleichsstrom fließen kann. Gerade bei längeren Standzeiten des elektrisch betriebenen Fahrzeugs im Bereich von mehreren Wochen oder Monaten führen Streuungen der Zellchemie oder unterschiedlich stark ausgeprägte Alterungseffekte zu einer divergenten Selbstentladung der parallel geschalteten Batterien. Die Spannungen der Batterien driften daher mit der Zeit auseinander. Ab einer gewissen Differenz der beiden Spannungen der beiden Batterien ist es nicht mehr möglich, die Batterien zusammen, bzw. zu dem Bordnetz zu schalten, ohne dass durch den erhöhten Stromfluss Probleme in der Elektrik des Fahrzeugs entstehen können. Eine Lösung ist es, beispielsweise durch zusätzliche Hardwaremaßnahmen einen aktiven Spannungsausgleich zwischen den Batterieeinrichtungen mittels eines bidirektionalen Gleichstromwandlers (DC/DC-Wandler) zu ermöglichen. Diese Methode löst zwar das Problem des Spannungsausgleichs zwischen den beiden Batterieeinrichtungen, allerdings muss ein Hersteller des elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs zusätzlich Kosten für den Spannungsausgleich einplanen, obwohl der bidirektionale DC/DC-Wandler nur sehr selten zum Einsatz kommt und auch einen Eingriff in die Batterieeinrichtungen erfordert.
  • Aus der EP 2 372 867 B1 ist eine Parallelvorrichtung für ein Batteriemodul bekannt, welches eine Vielzahl von Batteriegruppen aufweist, umfassend eine Vielzahl von Schalteinheiten, von denen jede einen ersten Schalter und eine Last aufweist und jede mit einer Batteriegruppe in Reihe geschaltet ist, um einen Zweig auszubilden, der mit anderen Zweigen parallel geschaltet ist. Weiterhin umfassend eine Vielzahl zweiter Schalter, von denen jeder mit einer Schalteinheit parallel geschaltet ist, und ein Steuermodul, das mit dem ersten Schalter und der Batteriegruppe parallel geschaltet ist und konfiguriert ist um Spannungen der Batteriegruppen zu sammeln, die Spannungsdifferenzen zwischen den Spannungen der Batteriegruppen zu berechnen, die Spannungsdifferenzen mit einer Spannungsreferenz zu vergleichen und den ersten Schalter und den zweiten Schalter zu steuern, um sich dem Ergebnis des Spannungsvergleichs entsprechend zu öffnen oder zu schließen, wobei die Spannungsreferenz eine erste Spannungsreferenz und eine zweite Spannungsreferenz aufweist und die erste Spannungsreferenz nicht kleiner als Null ist und die zweite Spannungsreferenz größer als die erste Spannungsreferenz ist, und wobei das Steuermodul ferner konfiguriert ist um den ersten Schalter und den zweiten Schalter zu steuern, um sich zu öffnen wenn eine Spannungsdifferenz nicht kleiner als die zweite Spannungsdifferenz ist. Weiterhin ist das Steuermodul konfiguriert, um den ersten Schalter zu steuern, um sich zu schließen und den zweiten Schalter zu steuern, um sich zu öffnen, wenn alle Spannungsdifferenzen kleiner als die zweite Spannungsreferenz sind und eine Spannungsdifferenz nicht kleiner als die erste Spannungsreferenz ist und den ersten Schalter zu steuern um sich zu öffnen und den zweiten Schalter zu steuern, um sich zu schließen, wenn alle Spannungsdifferenzen kleiner als die erste Spannungsreferenz sind.
  • Des Weiteren ist aus der US 2015/0244190 A1 ein Spannungsausgleicher bekannt. Dabei umfasst der Spannungsausgleicher Spannungsmessgeräte, die Spannungen bei jeweils zugehörigen Zellen messen, Schalter und ein Steuergerät, welches fortlaufend in jedem der Batterieverbände die niedrigste, der von den Spannungsmessgeräten gemessenen Spannung, als Zielspannung Vt1 oder Vt2 festlegt und das fortlaufend jeden der Schalter an/aus schaltet, sodass die Spannungen der Zellen, außer derjenigen die die niedrigste Spannung hat, in jedem der Batterieverbände auf die Zielspannung Vt1 oder Vt2 entladen werden, bis das Steuergerät aufgrund der gemessenen Spannungen der Spannungsmessgeräte festlegt, dass ein Zellausgleichskontrollverfahren nicht ausgeführt werden muss.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effizienteren Ladungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, sowie die folgende Beschreibung und die Fig. offenbart.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein aktiver Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs durch intelligentes Nutzen der vorhandenen Komponenten des Bordnetzes, das heißt ohne Einbringen zusätzlicher Komponenten, erfolgen kann.
  • Durch die Erfindung ist ein Verfahren für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich zumindest folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung, ein elektrischer Verbraucher, sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei das Erfassen einer Spannung der ersten und zweiten Batterieeinrichtung und das Bilden einer Spannungsdifferenz aus den erfassten Spannungen, wobei beide Batterieeinrichtungen von dem Bordnetz elektrisch getrennt sind, das Festlegen eines Zielspannungsbereichs in Abhängigkeit von der gebildeten Spannungsdifferenz, das Zuschalten entweder derjenigen Batterieeinrichtung an das Bordnetz, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, sowie das Zuschalten des elektrischen Verbrauchers an das Bordnetz, oder das Zuschalten der elektrischen Verbrauchereinrichtung zu derjenigen Batterieeinrichtung, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, und dadurch das Entladen derjenigen Batterieeinrichtung über den elektrischen Verbraucher oder die elektrische Verbrauchereinrichtung des Bordnetzes solange, bis die Spannung der Batterieeinrichtung in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • In anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren also einen Spannungsausgleich in dem Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung durch Entladen der ersten beziehungsweise der zweiten Batterieeinrichtung über einen elektrischen Verbraucher oder eine elektrische Verbrauchereinrichtung. Hierzu wird zuerst die Spannung der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung erfasst und aus den erfassten Spannungen eine Spannungsdifferenz gebildet. Dabei sind die beiden Batterieeinrichtungen von dem Bordnetz elektrisch getrennt, das heißt es besteht keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Batterieeinrichtungen und den übrigen Komponenten des Bordnetzes. Im nächsten Schritt wird in Abhängigkeit von der gebildeten Spannungsdifferenz, das heißt beispielsweise je nach Größe der Spannungsdifferenz, ein Zielspannungsbereich, das heißt ein Bereich in dem die Spannungen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung liegen sollten, festgelegt. Zum Spannungsausgleich zwischen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung gibt es anschließend zwei Möglichkeiten. Entweder wird der elektrische Verbraucher und diejenige Batterieeinrichtung, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, an das Bordnetz zugeschaltet, oder es wird die elektrische Verbrauchereinrichtung zu derjenigen Batterieeinrichtung zugeschaltet, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, wobei bei der zweiten Möglichkeit die Batterieeinrichtungen weiterhin von dem Bordnetz elektrisch getrennt sind. Durch beide Möglichkeiten wird in einem letzten Schritt diejenige Batterieeinrichtung über den elektrische Verbraucher oder die elektrische Verbrauchereinrichtung solange entladen, bis die Spannung der Batterieeinrichtung in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein Zuschalten beider Batterieeinrichtungen zu dem Bordnetz ermöglicht wird, ohne dass aufgrund der niederohmigen Anbindung der parallel geschalteten Batterieeinrichtungen ein erhöhter Ausgleichsstrom fließt, falls die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Batterieeinrichtungen beispielsweise aufgrund längerer Standzeit groß ist.
  • Die genannte Batterieeinrichtung kann zum Beispiel durch eine Batterie mit mehreren Batterieeinzelzellen, die in Serie geschaltet sind, realisiert werden. Der elektrische Verbraucher im Bordnetz kann beispielsweise als Heizgerät zum Beispiel für Kühlmittel oder den Innenraum des Fahrzeugs oder als Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) für das 12 V-Spannungsnetz, zum Beispiel für die Versorgung der Innenraumbeleuchtung oder der Sitzheizung, realisiert sein. Die elektrische Verbrauchereinrichtung kann beispielsweise durch mehrere Einheiten mit Widerständen (auch Balancing-Widerständen) und jeweils zugehörigen Schaltern realisiert werden, wobei jede Einheit aus Widerstand und Schalter zu einer der Batterieeinzelzellen parallel geschaltet werden kann. Das Bordnetz kann beispielsweise als Hochvoltbordnetz ausgebildet sein. Ein Hochvoltbordnetz weist dabei eine Spannung größer als 60 V, insbesondere größer 100 V, zum Beispiel 400 V auf.
  • Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
  • Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der geringeren der erfassten Spannungen der Batterieeinrichtungen festgelegt wird, sofern die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  • In anderen Worten wird also die gebildete Spannungsdifferenz mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Überschreitet die Spannungsdifferenz den vorgegebenen Grenzwert wird der Zielspannungsbereich für das Entladen der jeweiligen Batterieeinrichtung aufgrund der Spannung derjenigen Batterieeinrichtung mit der geringeren Spannung festgelegt. Das heißt die Spannung derjenigen Batterieeinrichtung mit der geringeren Spannung dient als Richtwert für das Festlegen des Zielspannungsbereichs.
  • Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nur eine der beiden Batterien entladen wird, solange bis die Spannung der zu entladenden Batterie in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • Ist also beispielsweise die Spannung der ersten Batterieeinrichtung geringer als die der zweiten Batterieeinrichtung und die Spannungsdifferenz der beiden Spannungen ist größer als ein Grenzwert, zum Beispiel 10 V, kann der Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der Spannung der ersten Batterieeinrichtung festgelegt werden. Der Zielspannungsbereich kann dabei beispielsweise der Spannung der ersten Batterieeinrichtung +/- 5 V entsprechen. Anschließend wird dann die zweite Batterieeinrichtung so lange über den elektrischen Verbraucher oder die elektrische Verbrauchereinrichtung entladen bis die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn sich das elektrisch betriebene Fahrzeug in einem Ruhezustand befindet.
  • In anderen Worten wird das erfindungsgemäße Verfahren also nur dann ausgeführt, wenn das elektrisch betrieben Fahrzeug nicht in Betrieb ist, das heißt nicht während des Fahr- oder des Standbetriebes.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von einem drahtlos übertragenen Statusabfragesignal einer fahrzeugexternen Überwachungseinrichtung ausgeführt wird.
  • In anderen Worten erfolgt der Spannungsausgleich in dem Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wenn durch eine fahrzeugexterne Überwachungseinrichtung der Status, insbesondere der Status der Spannungen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung mittels eines drahtlos übertragenen Signals abgefragt wird.
  • Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert, das heißt, zum Beispiel ohne Eingreifen eines Nutzers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, erfolgen kann.
  • Das drahtlos übertragene Statusabfragesignal kann dabei beispielsweise über eine gesicherte Internetverbindung (DSM/3G/LTE/UMTS/4G/WLAN) übertragen werden. Die fahrzeugexterne Überwachungseinrichtung kann dabei beispielsweise als Back-End eines vernetzten, elektrisch betriebenen Fahrzeugs zum Beispiel auf einem Server des Herstellers realisiert sein.
  • Durch die Erfindung ist auch eine Vorrichtung für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich zumindest folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung, ein elektrischer Verbraucher, sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst dabei eine erste und eine zweite Schalteinheit zum schaltbaren Verbinden der ersten und zweiten Batterieeinrichtung mit dem Bordnetz, eine dritten Schalteinheit zum schaltbaren Verbinden des elektrischen Verbrauchers mit dem Bordnetz, und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Spannung der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung zu erfassen und eine Spannungsdifferenz aus den erfassten Spannungen zu bilden, wobei die erste und zweite Schalteinheit derart geschaltet sind, dass beide Batterieeinrichtungen von dem Bordnetz elektrisch getrennt sind, einen Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der gebildeten Spannungsdifferenz festzulegen, und entweder die erste oder die zweite Schalteinheit derart zu schalten, dass diejenige Batterieeinrichtung an das Bordnetz geschaltet wird, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, sowie die dritte Schalteinheit derart zu schalten, dass der elektrische Verbraucher an das Bordnetz geschaltet wird, oder die elektrische Verbrauchereinrichtung derart zu schalten, dass die elektrische Verbrauchereinrichtung mit derjenigen Batterieeinrichtung gekoppelt ist, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt und dadurch diejenigen Batterieeinrichtung solange über den elektrischen Verbraucher oder die elektrische Verbrauchereinrichtung entladen wird, bis die Spannung derjenigen Batterieeinrichtung in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • In anderen Worten ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgesehen, welche einen Spannungsausgleich im Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs ermöglicht. Das Bordnetz umfasst dabei als Komponenten eine ersten und eine zweite Batterieeinrichtung, einen elektrischen Verbraucher und eine elektrische Verbrauchereinrichtung. Weiterhin ist in dem Bordnetz auch eine erste und eine zweite Schalteinheit vorgesehen, welche es ermöglichen, die erste beziehungsweise die zweite Batterieeinrichtung mit dem Bordnetz elektrisch zu verbinden oder die erste beziehungsweise die zweite Batterieeinrichtung von dem Bordnetz elektrisch zu trennen. Weiterhin ist auch eine dritte Schalteinheit vorgesehen, welche es ermöglicht den elektrischen Verbraucher mit dem Hochvoltbordnetz elektrisch zu verbinden oder den elektrischen Verbraucher von dem Hochvoltbordnetz elektrisch zu trennen. Erfindungsgemäß ist auch eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, eine jeweilige Spannung der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung zu erfassen und aus den erfassten Spannungen eine Spannungsdifferenz zu bilden. Dabei sind die erste und die zweite Schalteinheit derart geschaltet, dass die erste und die zweite Batterieeinrichtung von dem Bordnetz elektrisch getrennt sind. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, aufgrund der gebildeten Spannungsdifferenz der Spannungen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung einen Zielspannungsbereich festzulegen. Anschließend gibt es zwei Möglichkeiten den Spannungsausgleich zwischen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung durchzuführen. Für die erste Möglichkeit ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet, diejenige Batterieeinrichtung mit dem Bordnetz elektrisch zu verbinden, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt. Zum Verbinden derjenigen Batterieeinrichtung wird dabei die erste oder die zweite Schalteinheit entsprechend geschaltet. Gleichzeitig wird auch der elektrische Verbraucher mit dem Hochvoltbordnetz elektrisch verbunden und entsprechend die dritte Schalteinheit, derart geschaltet. Für die zweite Möglichkeit eines Spannungsausgleichs ist die Steuereinrichtung ausgebildet, diejenige Batterieeinrichtung, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, mit der elektrischen Verbrauchereinrichtung zu verbinden. Durch beide Möglichkeiten für den Spannungsausgleich wird die entsprechende Batterieeinrichtung dann entweder über den elektrischen Verbraucher oder die elektrische Verbrauchereinrichtung solange entladen, bis ihre Spannung in dem Zielspannungsbereich liegt.
  • Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Komponenten des Bordnetzes durch die entsprechenden Schalteinheiten individuell zu dem Bordnetz geschaltet werden können und ein Spannungsausgleich zwischen den beiden Batterieeinrichtungen derart ermöglicht wird, dass ein Zuschalten beider Batterien zu dem Bordnetz erfolgen kann, ohne, dass aufgrund der niederohmigen Anbindung der parallel geschalteten Batterieeinrichtungen ein erhöhter Ausgleichsstrom fließt, falls die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Batterieeinrichtungen beispielsweise aufgrund längerer Standzeit erhöht ist.
  • Die genannten Schalteinheiten können dabei zum Beispiel als Schaltschütz, Relais, oder Halbleiterschalter ausgebildet sein. Dies gilt auch für alle im Folgenden genannten Schalteinheiten.
  • Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten analog auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung des Bordnetzes für einen Spannungsausgleich mittels der elektrischen Verbrauchereinrichtung; und
    • 2 eine schematische Darstellung des Bordnetzes für einen Spannungsausgleich mittels eines elektrischen Verbrauchers.
  • 1 zeigt das Bordnetz 10 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Bordnetz 10 kann eine Steuereinrichtung C, sowie eine erste Batterieeinrichtung B1 und eine zweite Batterieeinrichtung B2 aufweisen. Die erste Batterieeinrichtung B1 und die zweite Batterieeinrichtung B2 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch jeweils zwei in Serie geschaltete Batterieeinzelzellen dargestellt. Denkbar wären auch, dass die erste und die zweite Batterieeinrichtung B1 und B2 durch jeweils eine einzelne Batterieeinzelzelle, oder jeweils mehr als zwei Batterieeinzelzellen, zum Beispiel vier in Reihe geschaltete Batterieeinzelzellen realisiert werden.
  • Jede der in 1 dargestellten Batterieeinzelzellen ist parallel zu einer Einheit aus einem Widerstand und einem Schalter in Serie geschaltet, wobei jede dieser Einheiten aus Widerstand und Schalter in Serie jeweils auch in Serie miteinander verschaltet sind, sodass sich die Verbrauchereinrichtungen 1 und 2 ergeben. Dabei ist die Verbrauchereinrichtung 1 der ersten Batterieeinrichtung B1 zugeordnet und die Verbrauchereinrichtung 2 ist der zweiten Batterieeinrichtung zugeordnet.
  • Zum schaltbaren Verbinden der ersten Batterieeinrichtung B1 mit dem Bordnetz 10 ist in 1 auch eine erste Schalteinheit S1 vorgesehen und zum schaltbaren Verbinden der zweiten Batterieeinrichtung B2 mit dem Bordnetz 10 ist eine zweite Schalteinheit S2 vorgesehen. Ein Öffnen der Schalteinheiten S1 und S2 entspricht dabei einem elektrischen Trennen der ersten und zweiten Batterieeinrichtung B1 und B2 von dem Bordnetz 10 und ein Schließen entspricht einem elektrischen Verbinden der ersten und zweiten Batterieeinrichtung B1 und B2 mit dem Bordnetz 10. Dies gilt auch für alle im Folgenden genannten Schalteinheiten.
  • Weiterhin kann die erste Batterieeinrichtung B1 eine Spannung U1 aufweisen und die zweite Batterieeinrichtung B2 kann eine Spannung U2 aufweisen. Werden nun wie im Stand der Technik üblich im Ruhezustand die beiden Batterieeinrichtungen B1 und B2 von dem Bordnetz 10 durch Öffnen der ersten und der zweiten Schalteinheit S1 und S2 elektrisch getrennt, können sich die beiden Batteriestränge B1 und B2, insbesondere bei längeren Standzeiten des elektrisch betriebenen Fahrzeugs im Bereich von mehreren Wochen beziehungsweise Monaten unterschiedlich stark entladen. Beispielsweise kann nach einem Monat Standzeit die Spannung U1 der ersten Batterieeinrichtung B1 bei 350 V liegen und die Spannung U2 der zweiten Batterieeinrichtung B2 bei 400 V liegen. Entsprechend ist also die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 größer als die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1. Würden die beiden Batterieeinrichtungen B1 und B2 ohne Spannungsausgleich an das Bordnetz 10 geschaltet werden, könnte aufgrund der niederohmigen Anbindungen der beiden parallel geschalteten Batterieeinrichtungen B1 und B2 ein erhöhter Ausgleichsstrom fließen.
  • Für einen Spannungsausgleich zwischen der ersten Batterieeinrichtung B1 und der zweiten Batterieeinrichtung B2 kann die Steuereinrichtung C die Spannungen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung U1 und U2 erfassen und aus den erfassten Spannungen U1 und U2 eine Spannungsdifferenz bilden. Liegt die Spannung U1, wie zuvor erwähnt zum Beispiel bei 350 V und die Spannung U2 bei 400 V, ergibt sich eine Spannungsdifferenz ΔU von 50 V. Ist nun zusätzlich ein Grenzwert von 10 V festgelegt, würde die gebildete Spannungsdifferenz von 50 V den Grenzwert überschreiten und die Steuereinrichtung C kann einen Zielspannungsbereich für den Spannungsausgleich festlegen.
  • Da die Spannung U2 größer als die Spannung U1 ist, kann die Zielspannung in Abhängigkeit der Spannung U1 festgelegt werden. Beispielsweise könnte der Zielspannungsbereich als Spannung U1 +/- einer vorgegebenen Spannung von beispielsweise 5 V entsprechen, was einem Zielspannungsbereich von 345 bis 355 V entspricht. Das heißt die zweite Batterieeinrichtung B2 kann nun so lange entladen werden bis die Spannung U2 in einem Bereich zwischen 345 bis 355 V liegt.
  • Dazu kann wie in 1 dargestellt die zweite Verbrauchereinrichtung 2 zu der zweiten Batterieeinrichtung B2 geschaltet werden, zum Beispiel durch Zuschalten beider Einheiten aus Widerstand und Schalter zu den beiden Batterieeinzelzellen der zweiten Batterieeinrichtung B2. Die Einzelzellen der zweiten Batterieeinrichtung B2 und entsprechend also die zweite Batterieeinrichtung B2 können nun so lange über den jeweiligen Widerstand bzw. die Verbrauchereinrichtung 2 entladen werden, bis die Spannung U2 mit ursprünglich 400 V in dem Bereich zwischen 345 bis 355 V liegt.
  • Als Folge liegt die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1 weiterhin bei 350 V und die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 in dem gewünschten Bereich von 345 bis 355 V, zum Beispiel bei 352 V. Die erste und die zweite Batterieeinrichtung B1 und B2 können nun zu dem Bordnetz 10 geschalten werden, ohne dass Aufgrund der niederohmigen Anbindung der beiden parallel geschalteten Batterieeinrichtungen ein erhöhter Ausgleichstrom fließt.
  • Analog kann auch die erste Batterieeinrichtung B1 über die Verbrauchereinrichtung 1 entladen werden, falls die Spannung U1 größer ist als die Spannung U2 und die Spannungsdifferenz aus U1 und U2 einen vorgegebenen Grenzwert von zum Beispiel 10 V überschreitet.
  • In anderen Worten kann also ein Spannungsausgleich unter Nutzung der so genannten Balancing-Widerstände, das heißt der Widerstände in einer Einheit aus Widerstand und Schalter, erfolgen. Dabei können die Batterieeinrichtungen B1 und B2 beispielsweise als Hochvoltbatterie ausgeführt sein. Jede Hochvoltbatterie, die aus seriell geschalteten Einzelzellen besteht, hat in der Regel eine Kaskade aus so genannten Balancing-Widerständen. Durch das Zell-Balancing (den Spannungsausgleich zwischen den Einzelzellen) können Spannungsunterschiede zwischen den Zellen, die aufgrund der Streuung der Einzelzellkapazitäten auftreten, ausgeglichen werden. Diese Balancing-Widerstände können allerdings auch genutzt werden, um die gesamte Batterie passiv zu entladen und somit den Spannungsausgleich durchzuführen. Dabei erfolgt der Spannungsausgleich zwischen den Batterien, indem alle Balancing-Widerstände der Batterie mit der höheren Leerlaufspannung, das heißt der höheren Spannung U1 oder U2, gleichzeitig zugeschaltet werden, um dadurch alle Einzelzellen gleichmäßig zu entladen. Die Entladung wird gestoppt, sobald sich die Leerlaufspannungen der Batterien im Fahrzeug angeglichen haben. Danach ist ein sicheres Zuschalten der Batterien wieder möglich. Da die dissipierte Leistung beim Balancing (Spannungsausgleich) im Bereich weniger Watt pro Zelle liegt und damit die Balancing-Zeit sehr lang sein kann, sollte das Batterie Balancing bereits im Ruhezustand des Fahrzeugs erfolgen.
  • In 2 ist das Bordnetz 10 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs schematisch dargestellt. Das Bordnetz 10 umfasst dabei eine erste Batterieeinrichtung B1 und eine zweite Batterieeinrichtung B2, welche jeweils zwei in Serie geschaltete Batterieeinzelzellen aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform wäre auch denkbar, dass die erste und die zweite Batterieeinrichtung B1 und B2 durch jeweils eine einzelne Batterieeinzelzelle, oder jeweils mehr als zwei Batterieeinzelzellen, zum Beispiel vier in Reihe geschaltete Batterieeinzelzellen realisiert werden.
  • Des Weiteren umfasst das Bordnetz 10 auch vier elektrische Verbraucher 3 bis 6, sowie eine Steuereinrichtung C. Zum schaltbaren Verbinden der ersten Batterieeinrichtung B1, der zweiten Batterieeinrichtung B2 und der elektrischen Verbraucher 3 bis 6 weist das Bordnetz 10 auch die Schalteinheiten S1 bis S6 auf.
  • In 2 kann der elektrische Verbraucher 3 beispielsweise als Heizgerät, zum Beispiel für Kühlmittel oder den Innenraum ausgebildet sein, der elektrische Verbraucher 4 kann beispielsweise als elektrischer Kältemittelverdichter (EKMV) ausgebildet sein, der elektrische Verbraucher 5 kann beispielsweise einen Inverter und eine elektrische Maschine des elektrisch betriebenen Fahrzeugs darstellen und der elektrische Verbraucher 6 kann einen Gleichstromwandler für das 12 V-Spannungsnetz, zum Beispiel für die Innenraumbeleuchtung oder die Sitzheizung darstellen.
  • Zum elektrischen Verbinden oder elektrischen Trennen der jeweiligen Komponenten des Bordnetzes 10 ist die Steuereinrichtung C ausgelegt, die Schalteinheiten S1 bis S6 zu schalten. Weiterhin ist die Steuereinrichtung auch ausgebildet, die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1 und die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 zu erfassen.
  • Dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann folgende Situation bespielhaft zugrunde liegen. Liegt die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1 bei 350 V und die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 bei 400 V, kann die Steuereinrichtung C diese Spannungen erfassen und eine Spannungsdifferenz ΔU bilden. Die Spannungsdifferenz ergibt entsprechend 50 V. Liegt der Grenzwert für einen Spannungsunterschied zwischen der ersten Batterieeinrichtung B1 und der zweiten Batterieeinrichtung B2 jedoch beispielsweise bei 10 V, überschreitet die gebildete Spannungsdifferenz von 50 V den vorgegebenen Grenzwert. Um also Probleme durch einen erhöhten Ausgleichsstrom zwischen der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung B1 und B2 zu vermeiden, sollte also vor dem Zuschalten der beiden Batterieeinrichtungen B1 und B2 die Spannung ausgeglichen werden. Dazu kann beispielsweise der Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der niedrigeren der beiden erfassten Spannungen, in diesem Fall der Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1, festgelegt werden. Zum Beispiel kann der Zielspannungsbereich als die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1 +/- einer definierten Spannung, zum Beispiel 5 V festgelegt werden und der Zielspannungsbereich liegt folglich zwischen 345 und 355 V.
  • Da die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 größer ist als die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1, kann die zweite Batterieeinrichtung B2 nun so lange entladen werden, bis die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 in dem Zielspannungsbereich liegt. Das Entladen kann dabei beispielsweise durch Zuschalten einer oder mehrerer der elektrischen Verbraucher sowie der zweiten Batterieeinrichtung B2 an das Bordnetz 10 erfolgen.
  • Dazu kann die Steuereinrichtung C die Schalteinheit S2 schließen und somit die zweite Batterieeinrichtung B2 mit dem Bordnetz 10 elektrisch verbinden. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung C auch die Schalter S3 und/oder S4 und/oder S5 und/oder S6 schließen, sodass der elektrische Verbraucher 3 und/oder 4 und/oder 5 und/oder 6 mit der Batterieeinrichtung B2 elektrisch verbunden ist. Anschließend wird die zweite Batterieeinrichtung solange über einen oder über mehrere der elektrischen Verbraucher 3 bis 6 entladen, bis die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung U2 in dem Zielspannungsbereich zwischen 345 und 355 V liegt.
  • Da die Spannung der ersten Batterieeinrichtung U1 weiterhin bei 350 V liegt und die Spannung der zweiten Batterieeinrichtung B2 nun in dem Zielspannungsbereich zwischen 345 und 355 V, zum Beispiel bei 352 V liegt, können beide Batterieeinrichtungen zu dem Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 10 geschaltet werden, ohne dass Probleme durch einen erhöhten Ausgleichsstrom zwischen den beiden Batterieeinrichtungen B1 und B2 entstehen.
  • In anderen Worten ist hier also ein Spannungsausgleich unter Nutzung der Nebenverbraucher, das heißt der elektrischen Verbraucher 3 bis 6 des elektrisch betriebenen Fahrzeugs vorgesehen. Dabei wird die Energie der Batterie, das heißt der Batterieeinrichtung, mit der höheren Spannung solange verbraucht, bis sich die Leerlaufspannungen beider Batterien angeglichen haben. Dieser Prozess kann insbesondere in Abwesenheit des Kunden, das heißt des Nutzers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs, unbemerkt von ihm zum Beispiel durch zyklisches Aufwecken der benötigten Steuergeräte oder durch Fernsteuerung erfolgen. Dazu wird der Schütz, das heißt die Schalteinheit derjenigen Batterie mit der höheren Leerlaufspannung, zugeschaltet. Zudem kann auch ein Verbraucher des Fahrzeugs (elektrischer Verbraucher), der am Bordnetz hängt, zugeschaltet werden. Das Bordnetz 10 kann auch hier als Hochvoltbordnetz ausgebildet sein. Der Verbraucher des Fahrzeugs kann dabei beispielsweise ein Heizgerät, zum Beispiel für Kühlmittel oder den Innenraum sein, ein elektrischer Kältemittelverdichter (EKMV). Der Verbraucher kann auch ein Inverter inklusive elektrischer Maschine sein wobei im elektrischen Antrieb ein Strom in die d-Achse eingeprägt wird. Dabei wird kein Drehmoment generiert, aber Verlustleistungen in den Kupferwicklungen erzeugt. Des Weiteren kann der Verbraucher des Fahrzeugs auch ein DC/DC-Wandler für das 12 V-Spannungsnetz sein, wobei die 12 V-Batterie aufbeziehungsweise nachgeladen werden kann. Die Energie kann damit auch in dem 12 V-Netz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs verbraucht werden, zum Beispiel durch die Sitzheizungen. Das Entladen der Batterie mit der höheren Leerlaufspannung wird gestoppt durch Trennen des elektrischen Verbrauchers von dem Bordnetz, sobald die Leerlaufspannung der Batterie sich an die Leerlaufspannung der Batterie mit der niedrigeren Leerlaufspannung angeglichen hat. Befinden sich beispielsweise mehr als zwei Batterien im System, so muss dieser Vorgang so lange widerholt werden, bis sich alle Batteriespannungen angeglichen haben. Danach ist ein Zuschalten der parallel geschalteten Batterien wieder möglich, ohne dass durch den erhöhten Stromfluss Probleme entstehen.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Methoden zum Spannungsausgleich in elektrischen Fahrzeugen mit mehreren Batterien realisiert werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrische Verbrauchereinrichtung
    2
    Elektrische Verbrauchereinrichtung
    3
    Elektrischer Verbraucher
    4
    Elektrischer Verbraucher
    5
    Elektrischer Verbraucher
    6
    Elektrischer Verbraucher
    10
    Bordnetz
    B1
    Erste Batterieeinrichtung
    B2
    Zweite Batterieeinrichtung
    C
    Steuereinrichtung
    S1
    Erste Schalteinheit
    S2
    Zweite Schalteinheit
    S3
    Dritte Schalteinheit
    S4
    Vierte Schalteinheit
    S5
    Fünfte Schalteinheit
    S6
    Sechste Schalteinheit
    U1
    Spannung der ersten Batterieeinrichtung
    U2
    Spannung der zweiten Batterieeinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2372867 B1 [0003]
    • US 2015/0244190 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Verfahren für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz (10) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich zumindest folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung (B1, B2), ein elektrischer Verbraucher (3-6), sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2), gekennzeichnet durch - Erfassen einer Spannung der ersten und zweiten Batterieeinrichtung (U1, U2) und Bilden einer Spannungsdifferenz aus den erfassten Spannungen, wobei - beide Batterieeinrichtungen (B1, B2) von dem Bordnetz (10) elektrisch getrennt sind, - Festlegen eines Zielspannungsbereichs in Abhängigkeit von der gebildeten Spannungsdifferenz, - Zuschalten entweder derjenigen Batterieeinrichtung an das Bordnetz (10), deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, sowie Zuschalten des elektrischen Verbrauchers (3-6) an das Bordnetz (10), oder - Zuschalten der elektrischen Verbrauchereinrichtung (1, 2) zu derjenigen Batterieeinrichtung (B1, B2), deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, und dadurch - Entladen derjenigen Batterieeinrichtung (B1, B2) über den elektrischen Verbraucher (3-6) oder die elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2) des Bordnetzes (10) solange, bis die Spannung der Batterieeinrichtung (U1, U2) in dem Zielspannungsbereich liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der geringeren der erfassten Spannungen der Batterieeinrichtungen (U1, U2) festgelegt wird, sofern die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erfindungsgemäße Verfahren nur dann ausgeführt wird, wenn sich das elektrisch betriebene Fahrzeug in einem Ruhezustand befindet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von einem drahtlos übertragenen Statusabfragesignal einer fahrzeugexternen Überwachungseinrichtung ausgeführt wird.
  5. Vorrichtung für einen Spannungsausgleich in einem Bordnetz (10) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, einschließlich zumindest folgender Komponenten: eine erste und eine zweite Batterieeinrichtung (B1, B2), ein elektrischer Verbraucher (3-6), sowie eine elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2), gekennzeichnet durch - eine erste und eine zweite Schalteinheit (S1, S2) zum schaltbaren Verbinden der ersten und zweiten Batterieeinrichtung (B1, B2) mit dem Bordnetz (10), - eine dritten Schalteinheit (S3) zum schaltbaren Verbinden des elektrischen Verbrauchers (3-6) mit dem Bordnetz (10), und - eine Steuereinrichtung (C), die dazu ausgebildet ist, - eine Spannung der ersten und der zweiten Batterieeinrichtung (U1, U2) zu erfassen und eine Spannungsdifferenz aus den erfassten Spannungen zu bilden, wobei die erste und zweite Schalteinheit (S1, S2) derart geschalten sind, dass beide Batterieeinrichtungen (B1, B2) von dem Bordnetz (10) elektrisch getrennt sind, - einen Zielspannungsbereich in Abhängigkeit von der gebildeten Spannungsdifferenz festzulegen, und entweder - die erste oder die zweite Schalteinheit (S1, S2) derart zu schalten, dass diejenige Batterieeinrichtung (B1, B2) an das Bordnetz (10) geschalten wird, deren erfasste Spannung außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt, sowie die dritte Schalteinheit (S3) derart zu schalten, dass der elektrische Verbraucher (3) an das Bordnetz (10) geschalten wird, oder - die elektrische Verbrauchereinrichtung (1,2) derart zu schalten, dass die elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2) mit derjenigen Batterieeinrichtung (B1, B2) gekoppelt ist, deren erfasste Spannung (U1, U2) außerhalb des Zielspannungsbereichs liegt und dadurch - diejenigen Batterieeinrichtung (B1, B2) solange über den elektrischen Verbraucher (3-6) oder die elektrische Verbrauchereinrichtung (1, 2) zu entladen, bis die Spannung derjenigen Batterieeinrichtung (U1, U2) in dem Zielspannungsbereich liegt.
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